Developmental Constraints underlying the evolutionary trends of the craniofacial primordia

• Project Area: Evolutionary theory for constrained and directional diversities
• Project/Area Number: 20H04858
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Biological Sciences
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 東山 大毅 東京大学, 大学院医学系研究科(医学部), 特任研究員 (40816625)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2022-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2021)
• Budget Amount: ¥7,540,000 (Direct Cost: ¥5,800,000、Indirect Cost: ¥1,740,000); Fiscal Year 2021: ¥2,860,000 (Direct Cost: ¥2,200,000、Indirect Cost: ¥660,000); Fiscal Year 2020: ¥4,680,000 (Direct Cost: ¥3,600,000、Indirect Cost: ¥1,080,000)
• Keywords: 形態 / 進化 / 解剖 / 哺乳類 / 発生 / 神経堤細胞 / 脊椎動物 / 発生拘束 / 形態形成 / 咽頭弓 / 頭部 / 頭蓋骨 / 顎顔面

Outline of Research at the Start

脊椎動物は、同一セットの顔面原基の量的な曲げ伸ばしと組合せで顔面形態を作っている。代表者はこれまでに、現生哺乳類では、哺乳類でない羊膜類に比較し、顔面原基の組合せが大きくシフトしていることを示した。では、この哺乳類特徴的なパターンを作った発生上の機構は何だろうか。
本研究課題では「羊膜類各系統での特有な顔面原基の形態が、発生上どこが最もダイナミックに変化することで生じるのか」「同一種内で揺らぎうる原基のサイズはどの範囲か」「例えばニワトリの眼胞を縮小するなど人為的な摂動を与えたとき、哺乳類型に近づくのかどうか」を検証し、羊膜類顔面のプロポーションを作る法則性や進化可能性についての考察を試みる。

Outline of Annual Research Achievements

顔面は眼や鼻や上下の顎を含む複雑な構造だが、そうした様々な構造の位置関係は、発生過程を含めて顎をもつ脊椎動物で広く保存されていると信じられてきた。しかし、我々は哺乳類において顔の作り方の制約が大幅に破綻しており、その結果、哺乳類特有の顔面が進化的新機軸として生じたことを明らかにした。祖先的において上あご前半を形成してきた発生原基は哺乳類において鼻部を生じ、代わりに上あごはすべて上顎突起という、元来上あごの付け根を作っていた発生原基より生じたのが、哺乳類の顔なのである。顔面に分布する骨格や神経などの構造もこの顔面原基の組み変わりに従っており、これにより上あごを支配する三叉神経の枝が哺乳類だけ独特である理由を説明できるほか、これまで200年以上その相同性が疑われてこなかった上あごの前端の骨要素、前上顎骨も哺乳類では中上顎骨という別の骨に入れ替わったことが示されたのである。この研究結果はこれまでの脊椎動物頭部の相同性に関する教科書的知識を更新するものであり、当該年度には論文としてまとめられ、既に発表された。本内容は東京大学やテュービンゲン大学よりプレスリリースをおこない、国内外のメディアでも報道された。
また、本論文ではまとめきれなかった詳細な末梢神経と顔面突起間葉との対応関係等についても既に論文としてまとめ、投稿中である。
ただし、当初目標としていた、こうした方向性のある進化の機構論的理解にはまだ遠く、例えば当初予定していたマイクロＣＴスキャンを用いた顔面原基の三次元的定量化は、新型コロナウィルス等の影響から大幅に実験が遅れたままとなった。
それでも現在は軌道に乗りつつあるほか、顔面原基に対応した空間トランスクリプトームの検出も同時に行っており、近い将来、哺乳類特有の顔面原基の伸びかたがどのような発生過程の変化によって生じたのかが解明できると期待できる。

Research Progress Status

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] テュービンゲン大学(ドイツ)
• [Int'l Joint Research] テュービンゲン大学(ドイツ)
• [Journal Article] Mammalian face as an evolutionary novelty (2021)
  • Author(s): Higashiyama H, Koyabu D, Hirasawa T, Werneburg I, Kuratani S, Kurihara H
  • Journal Title: Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America Volume: 118 Issue: 44
  • DOI: 10.1073/pnas.2111876118
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Embryonic evidence uncovers convergent origins of laryngeal echolocation in bats (2021)
  • Author(s): Nojiri Taro、Wilson Laura A.B.、L?pez-Aguirre Camilo、Tu Vuong Tan、Kuratani Shigeru、Ito Kai、Higashiyama Hiroki、Son Nguyen Truong、Fukui Dai、Sadier Alexa、Sears Karen E.、Endo Hideki、Kamihori Satoshi、Koyabu Daisuke
  • Journal Title: Current Biology Volume: 31 Issue: 7 Pages: 1-13
  • DOI: 10.1016/j.cub.2020.12.043
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Comparative anatomy of the hepatobiliary systems in quail and pigeon, with a perspective for the gallbladder-loss (2021)
  • Author(s): HIGASHIYAMA Hiroki、KANAI Yoshiakira
  • Journal Title: Journal of Veterinary Medical Science Volume: 83 Issue: 5 Pages: 855-862
  • DOI: 10.1292/jvms.20-0669
  • NAID: 130008047795
  • ISSN: 0916-7250, 1347-7439
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Dlx5-augmentation in neural crest cells reveals early development and differentiation potential of mouse apical head mesenchyme (2021)
  • Author(s): Vu Tri H.、Takechi Masaki、Shimizu Miki、Kitazawa Taro、Higashiyama Hiroki、Iwase Akiyasu、Kurihara Hiroki、Iseki Sachiko
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 11 Issue: 1 Pages: 2092-2092
  • DOI: 10.1038/s41598-021-81434-x
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Development of the lamprey velum and implications for the evolution of the vertebrate jaw (2020)
  • Author(s): Yokoyama Hiromasa、Yoshimura Miho、Suzuki Daichi G.、Higashiyama Hiroki、Wada Hiroshi
  • Journal Title: Developmental Dynamics Volume: 250 Issue: 1 Pages: 88-98
  • DOI: 10.1002/dvdy.243
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 哺乳類顔から考える、顔の進化の方向性 (2021)
  • Author(s): 東山大毅
  • Organizer: 日本進化学会第23回東京大会
  • Invited
• [Presentation] 軟骨魚類は表情筋を持ちうるか？ (2021)
  • Author(s): 東山大毅
  • Organizer: 第92回日本動物学会オンライン 米子大会
• [Presentation] Evolution of mammalian face as a deviation from the ancestral constraint (2021)
  • Author(s): Hiroki Higashiyama
  • Organizer: The 2nd AsiaEvo Conference
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 顔は発生原基の組合せ：哺乳類の鼻は爬虫類の口先 (2020)
  • Author(s): 東山大毅
  • Organizer: 日本進化学会 第22回 オンライン大会 シンポジウムS03「表現型進化を制約しうる発生基盤」（招待講演）
  • Invited
• [Presentation] 顎って何だ？：哺乳類顔の進化からみた展望 (2020)
  • Author(s): 東山大毅, 栗原裕基
  • Organizer: 日本動物学会第91回大会
• [Remarks] 哺乳類の顔を作ったダイナミックな進化過程 ～ 哺乳類の鼻は祖先の口先だった ～
  • URL: https://www.m.u-tokyo.ac.jp/news/admin/release_20211101.pdf
• [Remarks] Mammals' noses come from reptiles' jaws
  • URL: https://www.u-tokyo.ac.jp/focus/en/press/z0508_00195.html
• [Remarks] 哺乳類の顔を作ったダイナミックな進化過程
  • URL: https://www.s.u-tokyo.ac.jp/ja/info/7603/
• [Remarks] Wie bekamen wir den richtigen Riecher?
  • URL: https://uni-tuebingen.de/universitaet/aktuelles-und-publikationen/pressemitteilungen/newsfullview-pressemitteilungen/article/wie-bekamen-wir-den-richtigen-riecher/
• [Remarks] How Did We End Up With The Proper Sniffer?
  • URL: https://uni-tuebingen.de/en/university/news-and-publications/press-releases/press-releases/article/how-did-we-end-up-with-the-proper-sniffer/